Poloidal tilting symmetry of high order tokamak flux surface shaping in gyrokinetics
解析地证明了局域非线性$δf$陀螺动力学模型的极向倾斜对称性，并进行了数值验证。这种对称性表明，极向旋转的所有通量表面整形效果与大极向模式数由一个单一的倾斜角有一个指数小的影响托卡马克的输运性质。这是使用米勒局部平衡模型的推广，指定一个任意的通量表面的几何形状。在此几何条件下，我们发现，当在大通量表面整形模式数下进行扩展时，陀螺动力学的控制方程在高阶整形效应的极向倾斜上是对称的。这使我们能够从一个单一的配置，并计算在任何配置，可以通过倾斜的大模式数整形效果产生的通量。这就造成了具有镜像对称通量表面的托卡马克和没有镜像对称的托卡马克之间的区别，预计这将对使用上下不对称产生环向旋转产生重要影响。
2016-02-29 physics.plasm-ph
A fast low-to-high mode bifurcation dynamics in a tokamak edge plasma gyrokinetic simulation
输运势垒的形成及其与流体和等离子体中剪切流的关系在各种自然和实验室观测中具有根本意义，并且在磁聚变装置中实现经济的能量生产中具有至关重要的意义。在这里，我们报告的第一个观察到的边缘输运势垒形成事件中进行了一个现实的托卡马克边缘几何形状的gyrokinetic模拟。结果表明，湍流Reynolds应力驱动的剪切ExB流与新经典轨道损失协同作用，抑制湍流输运，并在最后一个闭合磁通量表面内部形成输运势垒.
2017-05-08 physics.plasm-ph
Linear gyrokinetic investigation of the geodesic acoustic modes in realistic tokamak configurations
利用回旋动力学粒子模拟程序ORB 5研究了测地声学模式。在低电子β极限下进行了线性电磁模拟，以分离声学和Alfvénic时间尺度并获得更准确的测量。研究了频率和阻尼率与安全因子、GAM径向波数和等离子体伸长等参数的关系。所有的模拟都是用具有真实电子/离子质量比的动力学电子进行的。根据陀螺动力学仿真结果，推导了GAM频率和阻尼率的插值公式。利用这些表达式，温度梯度对阻尼率的影响进行了研究。最后，将所得结果应用于ASDEX Upgrade托卡马克的实际放电研究。
2017-09-06 physics.plasm-ph
AWECS: A Linear Gyrokinetic Delta-f Particle-in-Cell Simulation Code for the Study of Alfvenic Instabilities in High-Beta Tokamak Plasmas
开发了一个一维线性回旋动力学程序AWECS，用于研究高β托卡马克等离子体中Alfvenic不稳定性的动力学激发，β为热压力与磁压力之比。它旨在描述与广泛的频率和波长相关的物理学。例如，AWECS能够模拟动力学气球模式，阿尔芬离子温度梯度驱动模式，以及由于高能粒子的阿尔芬不稳定性。此外，AWECS可用于研究低β区的漂移-阿尔芬不稳定性。在这里，代码的布局和所使用的数值方法进行了说明。AWECS是基准对其他代码和收敛性研究进行。
2008-06-27 physics.plasm-ph
Linear gyrokinetic particle-in-cell simulations of Alfven instabilities in tokamaks
本文用粒子胞内回旋动力学程序NEMORB研究了托卡马克装置中阿尔芬模的线性动力学。给出了模型方程，导出了局部剪切Alfven波的色散关系，恢复了不可压缩理想MHD极限下的连续谱。的验证和基准分析进行连续模式在一个圆柱体和超环面诱导阿尔芬本征模。在反向剪切平衡模式也进行了研究，并在极向平面上的平衡参数的空间结构的依赖关系进行了说明。特别是，在极向角的相移被发现是存在的模式，其频率接触的连续，而径向对称被发现是在连续间隙中的模式的特性。
2015-12-30 physics.plasm-ph
Kinetic-Ballooning-Limited Pedestals in Spherical Tokamak Plasmas
本文提出理论模型首次匹配NSTX台基Diallo标度实验，证明球形托卡马克台基约束由动理学气球模而非理想气球模限制，并建立回旋动理学临界台基约束及宽度-高度标度表达式。
2024-04-07 physics.plasm-ph
High frequency non-gyrokinetic turbulence at tokamak edge parameter
本文首次通过6D-Vlasov模拟托卡马克边缘参数下的高频离子伯恩斯坦波湍流，发现其输运与回旋动理学湍流相当，表明回旋动理学近似的限制主要源于计算成本而非物理本质。
2023-10-24 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Constructing Field Aligned Coordinate Systems for Gyrokinetic Simulations of Tokamaks in X-point Geometries
提出一种避免磁X点奇点的算法，用于在标准磁场对齐坐标系中计算几何量，实现托卡马克核心区与刮削层的2D轴对称模拟，并通过STEP示例验证有效性。
2025-11-02 physics.plasm-ph
Local gyrokinetic simulations of tokamaks with non-uniform magnetic shear
在这项工作中，我们修改了标准的通量管模拟域，包括任意离子回旋半径尺度的安全系数的径向分布的变化。为了确定如何适当地包括这样的修改，我们添加了一个强离子回旋半径尺度源（灵感来自电子回旋电流驱动）的福克-普朗克方程，然后进行多尺度分析，区分由源驱动的快速电子和慢速体热电子。这使我们能够系统地推导出所需的变化的gyrokinetic模型。我们发现新的条款，调整离子和电子的平行流是沿着修改后的场线。这些条款已成功地实施了gyrokinetic代码（同时保留典型的傅立叶表示），这使得通量管研究的非单调的安全系数配置文件和相关的剖面剪切。作为一个说明性的例子，我们调查托卡马克与正与负三角形等离子体整形，并发现轮廓剪切的重要性是不显着的形状变化的影响。
2022-12-13 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulation of the effect of transient fueling on plasma turbulence in ADITYA-U tokamak
Indian Institute of Science Bangalore（印度科学研究所班加罗尔分院）；Institute for Plasma Research, Bhat（巴特等离子体研究所）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）；Centre for Development of Advanced Computing（高级计算发展中心）；Department of Physics and Astronomy, University of California Irvine（加州大学尔湾分校物理与天文学系）
通过气体注入抑制ADITYA-U托卡马克中被困电子模湍流，提高核心温度和能量约束时间，作为主动控制微湍流的方法。
2026-02-23 physics.plasm-ph
A gyrokinetic model for the plasma periphery of tokamak devices
本文提出了一个回旋动力学模型，它能恰当地描述强流、大小振幅的电磁涨落以及大的偏离热平衡的情况，电磁涨落的尺度范围从电子拉莫尔半径到平衡垂直压力梯度尺度。的gyrokinetic模型的制定是基于单带电粒子动力学的二阶描述，来自李微扰理论，其中快速粒子gyromotion是从慢漂移解耦，假设离子的声音拉莫尔半径的垂直平衡压力尺度长度的比率是小的。的等离子体的集体行为是由一个gyrokinetic玻尔兹曼方程，它描述了gyroaveraged分布函数的演变，并包括一个非线性gyrokinetic Doughnut碰撞算子。陀螺动力学模型，然后发展成一组耦合的流体方程称为陀螺动力矩层次。为了获得这一层次结构，陀螺平均分布函数扩展到速度空间的Hermite-Laguerre多项式的基础上，并将gyrokinetic方程投影到相同的基础上，得到的空间和时间演化的Hermite-Laguerre展开系数。Hermite-Laguerre投影在任意垂直波数值处精确地执行。最后，自洽演化的电磁场描述的一组gyrokinetic麦克斯韦方程组来自一个变分原理，明确评估的gyroaveraged分布函数的速度积分。
2020-04-22 physics.plasm-ph
Linear gyrokinetic stability of a high $β$ non-inductive spherical tokamak
球形托卡马克（ST）已被证明具有理想的性能，如实现高等离子体聚变发电厂？并且具有增加的垂直稳定性。为了了解高$β$ ST聚变反应堆概念设计中可能预期的约束特性，使用局部线性回转动力学分析了1GW ST等离子体平衡，以确定出现的微不稳定性类型。动力学气球模式（KBM）和微撕裂模式（MTM）被发现是占主导地位的不稳定性。确定这些线性模式的参数依赖性，并根据获得的见解，调整平衡以找到在$θ_0$ = 0：0时对所有微观不稳定性略微稳定的状态。这项工作确定了最重要的微观不稳定性，预计产生湍流输送高$β$ ST。这些模式的影响必须忠实地捕捉到基于第一原理的减少模型的异常运输，需要预测模拟。
2021-08-25 physics.plasm-ph
A High-order piecewise field-aligned triangular finite element method for electromagnetic gyrokinetic particle simulations of tokamak plasmas with open field lines
Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Max Planck Computing and Data Facility（马克斯·普朗克计算与数据设施）
本文提出一种高阶分段场对齐三角有限元方法，用于高效模拟托卡马克等离子体中的电磁旋磁粒子-网格问题。
2026-02-03 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of the influence of electron cyclotron current drive on tearing mode instabilities in tokamaks
用回旋动力学方法模拟了HL-2A和DIII-D装置中电子回旋电流驱动和离子动力学效应对m/n=2/1撕裂模（TM）不稳定性的影响。用有限质量电子模型计算了TM的演化，用射线追迹和Fokker-Planck方法得到了射频电流源。在HL-2A装置中，连续的1 MW 68 GHz X ~ 2模可以很好地稳定TM，而在DIII-D装置中，由于输入功率不足，1 MW 110 GHz X ~ 2模只能部分稳定不稳定性（CR= I_{rf} / I_{0}，其中Irf为波驱动电流，I 0为平衡等离子体电流）。结果还表明，螺旋电流驱动比连续ECCD更有效。GTC模拟的分析表明，无论是在HL-2A和DIII-D，离子的存在可以减少岛的宽度以及生长速率。此外，热离子对TM的动力学效应被发现是更明显的离子温度越高。
2018-07-10 physics.plasm-ph
Multiscale Gyrokinetics for Rotating Tokamak Plasmas II: Reduced Models for Electron Dynamics
在本文中，我们扩展了[Abel et.例如，代表计划物理、提交]通过利用离子和电子之间的尺度分离。将回旋动力学方程展开为电子与离子质量比的幂，从而为导出约化电子模型提供了一种严格的方法。我们证明了离子尺度的电磁扰动不会改变磁拓扑结构，并认为最低阶的磁场位于涨落通量面上。这些通量表面被用来构建磁坐标，并在这些坐标系中的电子响应离子尺度湍流的方程的封闭系统的推导。所有快电子时标都已从这些方程中消除。我们还使用这些磁表面构造的约化电子模型的电子和电子热的输运方程。
2013-02-28 physics.plasm-ph
Is Turbulence able to Generate Magnetic Islands in Tokamaks? Gyrokinetic Simulations of Turbulence-Driven Magnetic Islands in Toroidal Geometry
本研究利用环形几何中的陀螺动力学模拟，揭示微观不稳定性通过 E×B 流驱动重联并形成、合并磁岛的普适机制，且该机制不依赖微观不稳定性的宇称。
2025-09-29 physics.plasm-ph
Magnetic Fluctuations in Gyrokinetic Simulations of Tokamak Scrape-Off Layer Turbulence
理解托卡马克边缘和刮削层（SOL）中的湍流输运物理是研制成功聚变堆的关键。在这些区域中的动态起着关键作用，在实现高融合性能，通过确定边缘基座，抑制H模式中的湍流。此外，反应堆的存活率由容器壁的热负荷决定，因此了解热量沿SOL中的开放磁场线流动时的湍流扩散非常重要。大幅波动、磁X点几何形状以及等离子体与材料壁的相互作用使得模拟边缘/SOL中的湍流比核心区域更具挑战性，需要专门的陀螺动力学代码。此外，包括在陀螺运动模拟，可以处理边界等离子体的独特挑战的电磁效应是至关重要的理解的现象，如基座和ELMs，电磁动力学预计是重要的。在这篇论文中，我们开发了第一个能力来模拟开放磁场线上的电磁回旋湍流。这是一个重要的一步，全面的电磁陀螺运动模拟的耦合边缘/SOL系统。通过使用一个连续的全f的方法，通过一个节能的不连续Galerkin（DG）离散方案，避免了安培抵消问题，我们表明，电磁波动可以处理在一个强大的，稳定的，和有效的方式在Gkeyll代码的gyrokinetic模块。然后，我们提出的结果，大致模拟刮落层的国家球形环面实验（NSTX），并表明电磁效应可以影响斑点的动力学和运输。我们还制定了gyrokinetic系统在现场对齐的坐标建模现实的边缘和刮落层的几何形状在实验中。
2021-03-30 physics.plasm-ph
GX: a GPU-native gyrokinetic turbulence code for tokamak and stellarator design
GX是一个针对聚变反应堆设计优化的快速GPU原生回旋动理学湍流求解代码，采用全相空间伪谱离散化与径向局部通量管方法，可在数分钟内完成托卡马克和仿星器的湍流模拟。
2024-04-29 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of neoclassical electron transport and bootstrap current generation in tokamak plasmas in the TRIMEG code
本研究在基于三角形网格的回旋动理学程序TRIMEG中实现简化洛伦兹碰撞算符，推导非结构化网格下的通量面平均计算方法，验证了其计算电子输运与自举电流的能力，为后续自洽纳入新经典效应奠定基础。
2023-06-13 physics.plasm-ph
Verification and validation of gyrokinetic and kinetic-MHD simulations for internal kink instability in DIII-D tokamak
本文用GTC和动力学MHD程序（GAM-solver，M3D-C1-K，NOVA，XTOR-K）对托卡马克内扭结不稳定性进行了验证。使用来自DIII-D拍摄#141216的相同平衡重建的真实磁几何形状和等离子体轮廓，当所有动力学效应被抑制时，这些代码表现出内部扭结模式的生长速率和模式结构的极好一致性。模拟的径向模式结构同意定量调整后，在实验的不确定性，在平衡重建的安全系数q = 1通量表面位置的电子回旋发射测量。可压缩的磁扰动强烈地破坏扭结的稳定性，而平衡电流密度的极向变化降低了扭结的增长率。此外，由于离子温度梯度和平行电场的额外驱动，热离子的动力学效应在动力学MHD模拟中降低了扭结增长率，而在回旋动力学模拟中增加了扭结增长率.动力学热电子被发现有内部扭结不稳定性的影响可以忽略不计。
2021-09-21 physics.plasm-ph
Energetic Consistency and Momentum Conservation in the Gyrokinetic Description of Tokamak Plasmas
陀螺运动场论是在一般哈密顿量的背景下解决的。背景磁几何是静态的和轴对称的，并且拉格朗日量对动力学变量的所有依赖都是在哈密顿量或自由场项中。场的方程由函数导数给出。通过哈密顿量的对称性与时间和几何的环角不变性导致能量和环动量守恒。在对涨落幅度的不同排序水平中，能量一致性是精确的。强调了这一点在支持守恒定律中的作用。局部输运方程的涡量，环动量，和能量的推导。特别是，动量方程示出任何形式的哈密尔顿表现良好，并放宽其磁流体动力学（MHD）的形式时，采取长波长近似的哈密尔顿。目前使用的几种形式，这些形式的基础上，大多数全球性的模拟，被证明是很好地定义内的gyrokinetic场论和精力充沛的一致性。
2010-10-11 physics.plasm-ph
Gyrokinetic modelling of stationary electron and impurity profiles in tokamaks
利用回旋动力学程序GENE研究了离子温度梯度/俘获电子（ITG/TE）模式湍流引起的粒子输运。对ITG主导湍流的典型托卡马克参数进行了简化准线性（QL）处理和非线性（NL）模拟。一个自洽的处理，其中计算对应于零粒子通量同时为电子和微量杂质的固定的本地配置文件。固定配置文件与磁剪切，安全因子，电子与离子的温度比，碰撞，环向剪切旋转，三角形，和伸长率的缩放进行了研究。此外，还讨论了不同主离子质量对零通量条件的影响。电子密度梯度可以显著地影响固定杂质轮廓标度。因此，预期自洽处理将产生与参数扫描的实验结果更可比的结果，其中固定背景密度分布是敏感的。这被证明是在磁剪切，碰撞性，伸长率，和温度比，同时零通量电子和杂质配置文件计算扫描的情况下。氢，氘和氚之间的轻微不对称的轮廓峰得到，特别是在碰撞和温度比扫描。
2014-02-21 physics.plasm-ph
Electromagnetic full-$f$ gyrokinetics in the tokamak edge with discontinuous Galerkin methods
对长波长极限下的全$f$电磁陀螺动力学系统提出了一种能量守恒的间断Galerkin格式。我们使用辛公式和直接求解$\partial A_\parallel/\partial t$，平行电场的电感分量，使用直接从陀螺运动方程推导出的广义欧姆定律。线性基准进行验证的实施，并表明该计划避免了安培取消的问题。我们进行了非线性电磁模拟的螺旋开放场线系统作为一个粗略的模型，托卡马克刮削层使用的参数从国家球形环实验（NSTX）。这是首次发表的非线性电磁陀螺动力学模拟开放场线。比较相应的静电模拟。
2020-03-19 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Using the local gyrokinetic code, GS2, to investigate global ITG modes in tokamaks. (I) s-$α$ model with profile and flow shear effects
本文结合本地gyrokinetic代码与分析理论的结果重建的线性不稳定的离子温度梯度（ITG）模式与绝热电子的全球本征模结构。本文采用s-$α$托卡马克平衡模型进行模拟.使用GS 2在径向表面x的范围内进行了局部回转动力学计算，并且对于在范围- $π {\leq} p {\leqπ}$内的气球状相位角p，绘制出复局部模式频率${Ω_0(x, p) = ω_0(x, p) + iγ_0(x, p)}$。假设驱动器的二次径向轮廓，即${η_i = L_n/L_T}$（保持所有其它平衡轮廓例如安全系数、磁剪切等恒定），${Ω_0(x, p)}$有一个稳定点。重建的全局模式位于托卡马克等离子体的外侧中平面上，并且被称为常规或孤立模式，具有全局增长率$γ$ ~ Max[ ${γ_0(x, p)}$ ]，其中${γ_0(x, p)}$是局部增长率。考虑到其他平衡剖面中的径向变化（例如安全系数q（x）），消除了${Ω_0(x, p)}$中的稳定点，并导致峰值略微远离外侧中平面的模式，同时降低了全局增长率。最后，还通过多普勒频移（${ω_0 \rightarrow ω_0 + nΩ^{\prime}x}$）研究了流动剪切的影响，其中n是环形模数，${Ω^{\prime}}$包含了流动剪切的影响。平衡剖面的变化介绍了一个不对称的增长率谱相对于${Ω^{\prime}}$的符号，与最近的全球gyrok…
2014-08-04 physics.plasm-ph
Energetic bounds on gyrokinetic instabilities. Part I: Fundamentals
本文导出了陀螺动力学中自由能增长的上界。这些界限适用于所有局部回旋动力学不稳定性的几何形状的磁通管，即一个细长的体积的等离子体与磁场对齐，无论几何形状的字段，粒子种类的数量，或碰撞。结果适用于线性不稳定性和有限振幅波动的非线性增长。
2021-12-17 physics.plasm-ph
Intrinsic rotation with gyrokinetic models
本文考虑了托卡马克中湍流和新经典效应对内禀转动的产生。为了获得在实验中观察到的复杂的依赖性，有必要有一个模型的径向通量的动量重新分配的托卡马克在没有预先存在的速度。当使用最低阶gyrokinetic配方，对称的模型排除了这种可能性，使小的影响，在gyroradius尺度长度扩展的必要。这些通常很小的效应对于动量输运变得很重要，因为最低阶陀螺动力学公式的对称性导致最低阶动量通量的抵消。的准确性，需要获得的陀螺方程，以保留所有的物理相关的影响进行了讨论。
2012-03-22 physics.plasm-ph
Compact formulas for bounce/transit averaging in axisymmetric tokamak geometry
本文用Jacobi椭圆函数和椭圆积分给出了在微湍流的反弹-回转动力学描述中经常遇到的轴对称托卡马克几何结构中波动振幅程函因子的反弹和渡越轨道平均的简洁公式。这些公式可方便地应用于在现代反弹-回转动力学理论框架内计算新经典磁化率。在轴对称静电扰动的长波长极限下，我们恢复了Rosenbluth-Hinton剩余纬向流的表达式[Rosenbluth和Hinton，Phys.~修订版~ Lett.~ { \bf 80}，724（1998）]准确。
2014-11-25 physics.plasm-ph
Using a local gyrokinetic code to study global ITG modes in tokamaks
本文将局部回旋动力学程序GS 2的结果与解析理论相结合，得到了托卡马克等离子体中线性离子温度梯度（ITG）模的整体模结构。使用GS 2对一系列径向通量表面${x}$和气球状相位角${p}$进行局部回转运动计算，以绘制出单个环形模式数${n}$的局部复模式频率${Ω_{0}(x,p)=ω_{0}(x,p)+iγ_{0}(x,p)}$。将${Ω_{0}}$关于${x=0}$进行泰勒展开，并采用傅里叶气球表示，得到了振幅包络的二阶常微分方程${A\left(p\right)}$，它描述了如何将局部结果组合起来形成全局模式。我们采用所谓的CYCLONE循环米勒均衡模型的基本情况。假设${a/L_{T}}$和${a/L_{n}}$的径向变化曲线在${x=0}$处达到峰值，并且所有其他平衡曲线保持不变，则发现${Ω_{0}(x,p)}$具有一个稳定点。重建的全局模式位于托卡马克的外侧中平面，全局增长率为${γ\sim}$ Max ${\left[γ_{0}\right]}$。包括径向变化的其他平衡配置文件，如安全系数和磁剪切，导致一个模式，峰值远离外侧中平面，全球增长率降低。最后，还通过引入多普勒频移${ω_{0} \rightarrow ω_{0} - nΩ_ϕ^{\prime} x}$研究了环向流剪切的影响，其中${Ω_ϕ}$是平衡环向流，撇号表示径向导数。平衡剖面的变化引入了一个不对称的…
2015-10-06 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Simulations for Spherical Tokamak Divertor Design
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Institute for Fusion Studies, University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所）
开发回旋动理学代码Gkeyll模拟球形托卡马克低再循环模式，证明无需锂偏滤器板即可实现高SOL温度和低SOL密度，并揭示动理学效应可降低偏滤器峰值热通量、限制杂质污染。
2026-05-21 physics.plasm-ph
Multiscale Gyrokinetics for Rotating Tokamak Plasmas: Fluctuations, Transport and Energy Flows
本文提出了一个完整的托卡马克等离子体湍流和输运的理论框架。等离子体湍流中存在的基本尺度分离被编码为回转半径与平衡尺度长度之比的渐近展开。在此展开中逐阶进行，开发了等离子体湍流的框架。它包括一个瞬时的平衡，在平衡量的梯度驱动的波动，和这些量的平均配置文件的波动驱动的运输时间尺度的演变。平衡分布函数是局部麦克斯韦函数，每个通量面作为一个刚体作环形旋转。由旋转等离子体的Grad-Shafranov方程得到磁平衡，由安全因子q的演化方程给出磁场的慢（电阻）演化。新古典理论给出了分布函数与麦克斯韦分布函数的大尺度偏差。的波动是由高流量的回旋方程，从中我们推导出的控制原则，在托卡马克回旋湍流：守恒和本地级联的自由能。导出了平均密度、温度和流速分布演化的输运方程。这些输运方程显示了新古典修正和涨落是如何通过通量和加热作用于平均廓线的。导出了平均轮廓的能量和熵守恒定律。总能量守恒，没有净湍流加热。熵是由通量平坦梯度、欧姆加热和平均温度平衡的作用产生的。最后，在低马赫数极限下，将这个框架压缩成一组适于数值实现的简明方程。
2013-12-02 physics.plasm-ph
Global gyrokinetic particle-in-cell simulations of internal kink instabilities
采用电磁回旋动力学粒子模拟程序（PIC）研究了直线托卡马克中的内扭结不稳定性。用PIC程序成功地模拟了理想MHD内扭结模和无碰撞$m = 1$撕裂模。抗磁效应的内部扭结模式也进行了研究。
2012-09-26 physics.plasm-ph
T3ST code: Turbulent Transport in Tokamaks via Stochastic Trajectories
本研究提出T3ST程序，采用与回旋动力学互补的统计方法，通过带湍流和库仑碰撞考量的测试粒子法及合成随机场表征，以拉格朗日相关量计算托卡马克湍流输运系数，速度远快于传统回旋动力学程序。
2025-03-24 physics.plasm-ph
Verification of the global gyrokinetic stellarator code XGC-S for linear ion temperature gradient driven modes
XGC（X-point Gyrokinetic Code）是一个全体积、全f Gyrokinetic Particle-in-Cell程序，用于托卡马克的建模。在最近的工作中，XGC已被扩展到更一般的三维环形磁配置，如仿星器模型。这些改进导致了XGC-S版本。在本文中，XGC-S的线性静电离子温度梯度驱动的微不稳定性，这可能是在仿星器湍流输运的基础为基准。XGC-S在托卡马克几何中的初始基准显示出与XGC 1，ORB 5和全球GENE代码的良好一致性。XGC-S和EUTERPE全球仿星器陀螺动力学代码之间的基准测试也已经完成，这次是在优化仿星器Wendelstein 7-X的几何结构中。已发现良好的协议的模式数谱，模式结构，和增长率。
2019-05-14 physics.plasm-ph
Gyrokinetic projection of the divertor heat-flux width from present tokamaks to ITER
本文采用XGC 1边缘回旋动力学程序对附着等离子体条件下偏滤器板热流宽度进行了高保真度的计算。模拟结果与从现有托卡马克装置获得的经验标度$λ_q \propto B_P^{-γ}$进行了验证，其中$λ_q$是映射到外侧中平面的偏滤器热流宽度，而$γ_q=1.19$由T. Eich等人[Nucl. Fusion 53（2013）093031]，并且$B_P$是外侧中平面分界线表面处的极向磁场的大小。当外推到ITER时，这种经验标度预测$λ_q \leq 1mm$，这将需要在Q=10的情况下以非常高的分界线密度$(n_{sep}/n_{Greenwald} > 0.6)$运行，以实现半分离等离子体操作和高辐射分数，从而导致可接受的偏滤器功率通量。然而，XGC 1预测ITER的$λ_q$超过5 mm，这表明在ITER Q=10的情况下，可以在更宽的等离子体分界线密度和辐射分数范围内获得可接受的偏滤器功率负载。这种差异背后的物理原因是，根据XGC 1的结果，虽然离子磁漂移的偏滤器热通量宽度的贡献是更广泛的，在目前的托卡马克，湍流电子的贡献是更广泛的ITER。高电流C-Mod放电被发现是在一个混合的制度：虽然由离子新古典磁漂移的热通量宽度仍然比湍流电子热通量宽度宽，热通量的大小是由较窄的电子热通量占主导地位。
2017-04-21 physics.plasm-ph
First principles gyrokinetic analysis of electromagnetic plasma instabilities
本文在回旋动力学理论的框架内对电磁堆芯托卡马克不稳定性进行了双重分析。第一原理的理论基础的gyrokinetic理论被用来解释和证明与全球电磁粒子在细胞的代码Orb5，其模型是来自拉格朗日形式主义的数值结果。对应于Orb5模型的能量守恒定律是从Noether定理推导出来的，并在代码中实现为能量平衡和守恒验证的诊断。一个额外的诺特定理为基础的诊断实施，以分析不稳定的机制，在托卡马克的核心区域的静电和电磁离子温度梯度（ITG）的不稳定性。研究了高电磁场$β$下向动力学振荡模（KBM）的转变。
2019-03-26 physics.plasm-ph
A Ritz variational principle for local collisionless gyrokinetic instabilities
本文修正了局部无碰撞回旋动理学本征值问题中数学上不正确的里茨变分原理，推导出适用于一般几何及电磁效应的正确变分形式及适用于数值计算的弱形式。
2025-01-31 physics.plasm-ph
Numerics and computation in gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence with global particle-in-cell codes
本文用全球回旋动力学粒子格子程序ORB 5研究了托卡马克和仿星器等离子体中的电磁湍流。Lanti等人，Comp. Phys. Comm，第251卷，107072（2020）]和EUTERPE [V. Kornilov等人，Phys. Plasmas，第11卷，3196（2004）]。大纵横比托卡马克，缩小规模的ITER，和Wendelstein 7-X几何被认为是。主要目标是增加等离子体β，机器尺寸，离子与电子质量比，以及在这样的模拟中包括逼真的几何特征。研究了在部署大规模GPU的计算机系统上的相关数值要求和计算成本。这些都是必要的步骤，使电磁湍流模拟在未来的反应堆等离子体。
2021-05-04 physics.plasm-ph
Intrinsic momentum transport driven by almost-rational surfaces in tokamak plasmas
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）
研究发现当安全因子q接近有理数且磁剪切接近零时，局部回旋动理学模型的对称性被打破，导致湍流动量输运驱动等离子体自发旋转，该机制显著强于其他内禀旋转驱动，并产生内禀电流将q拉向有理值，可能有助于非感应电流驱动和内输运垒触发。
2026-05-28 physics.plasm-ph
Laguerre-Hermite Pseudo-Spectral Velocity Formulation of Gyrokinetics
近几十年来，托卡马克湍流的第一性原理模拟已被证明具有重要价值。我们开发了一个伪谱速度制定的湍流方程，平滑插值之间的高效，但分辨率较低的3D gyrofluid表示和传统的，但更昂贵的5D gyrokinetic表示。我们的提法是一个投影的非线性gyrokinetic方程的Laguerre-Hermite速度空间的基础上。我们将讨论与碰撞、闭包和熵有关的问题。虽然任何碰撞算子都可以用于制定，我们强调一个模型算子，具有特别稀疏的拉盖尔-厄米特表示，同时满足守恒定律和H定理。自由流，磁漂移，和非线性相位混合每个引起的封闭问题，我们讨论的利益和自由能守恒的不稳定性。我们表明，该模型是能够再现线性不稳定性和纬向流动力学的陀螺动力学结果。因此，最终的模型是适当的不稳定性，湍流和运输的研究在广泛的几何形状，包括托卡马克和仿星器。
2017-08-14 physics.plasm-ph
Energetic bounds on gyrokinetic instabilities. Part II. Modes of optimal growth
我们引入模式的瞬时最佳增长的自由能的完全电磁陀螺方程。我们演示了这些“最佳模式”是如何自然产生的自由能平衡方程，使其方便的分解，并产生一个简单的图片的能量流。最佳模式有许多其他有利的功能，如它们的低维，计算效率，以及事实上，他们的增长率提供了一个严格的和“紧”的上限上的非线性增长率的能量，和传统的gyrokinetic（正常模式）不稳定性的线性增长率。我们提供了简单的封闭形式的解决方案的最佳增长率在一些渐近极限，并比较这些与我们以前的界限。
2022-01-21 physics.plasm-ph
A quasi-linear gyrokinetic transport model for tokamak plasmas
托卡马克等离子体的准线性回旋运动输运模型的发展，最终设计提供物理上全面的热力学相关量的时间演化的预测，是一项任务，需要理论，实验和数值研究之间的紧密联系。这里提出的模型框架，它操作的非线性自组织等离子体动力学的复杂性降低，实际上允许多重验证目前的理解托卡马克微湍流。这项工作的主要成果源于制定这种简化运输模型所涉及的基本步骤，即：（1）准线性等离子体响应对非线性计算解的验证，（2）通过非线性代码对湍流测量的精确验证来改进湍流饱和度模型，（3）准线性模型在集成传输解算器中的集成。
2012-04-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Intrinsic toroidal rotation driven by turbulent and neoclassical processes in tokamak plasmas from global gyrokinetic simulations
本研究利用全局全f回旋动理学代码XGC模拟DIII-D H模等离子体，发现漂移轨道平行动量通量与E×B动量通量对残余应力贡献显著，揭示了其在本征环向旋转研究中的重要性。
2024-05-28 physics.plasm-ph
A Subgrid Model for Electron-Scale Turbulent Transport in Global Ion-Scale Gyrokinetic Simulations of Tokamak Plasmas
本文提出一种亚格子ETG模型，将GENE的电子尺度湍流平均后耦合到全局ITG GEM模拟中，以在离子尺度方程中计入电子热输运并分析其影响。
2025-07-22 physics.plasm-ph
Prediction of ELM-free Operation in Spherical Tokamaks With High Plasma Squareness
本文预测球形托卡马克中高等离子体方形度可通过使第一稳定台基远离剥离-气球模边界而实现无ELM的H模，并用仅需三个几何输入的随机森林模型以R²=0.965的高精度预测了稳定性邻近程度。
2025-05-05 physics.plasm-ph
Development and testing of an unstructured mesh method for whole plasma gyrokinetic simulations in realistic tokamak geometry
在这项工作中，我们制定和实施了一个混合的非结构化网格为基础的有限元（FE）傅立叶分解方案，在现实的托卡马克几何的陀螺动力学模拟。一个有效的粒子定位（粒子三角形映射）计划的电荷沉积和场散射使用一个中间网格作为搜索索引的三角形已实施和显着的加速由一个因素的$\sim30$被观察到的蛮力计划相比，一个中等大小的模拟。TRIMEG（TRIangular MEsh based Gyrokinetic）程序已经开发。作为应用，采用简化的回旋动力学Vlasov-Poisson模型模拟了离子温度梯度（ITG）模式。我们的模拟和使用ORB 5代码的DIII-D旋风的情况下，显示出合理的协议。作为一个附加的应用程序，ITG模拟使用ASDEX升级平衡已经进行了类似的旋风的情况下的密度和温度梯度分布。的TRIMEG代码的能力与现实的实验平衡在等离子体核心和在整个等离子体体积与开放场线的模拟。
2020-07-14 nucl-th physics.comp-ph physics.plasm-ph
Residual zonal flows in tokamaks and stellarators at arbitrary wavelengths
在线性无碰撞极限下，环形等离子体中的纬向势扰动一般会松弛到非零余值。推导了托克马克和仿星器几何形状以及任意波长的残值表达式。这些表达式涉及最低阶粒子轨迹的平均值，通常无法通过分析进行评估。在这项工作中，一个有效的数值方法来评估这样的表达式。结果表明，这种方法是快速的比直接陀螺动力学模拟与GENE和EUTERPE代码进行。在仿星器的剩余值的计算提供了更短的波长比以前在文献中。仿星器中的电子必须从动力学的角度来处理，因为与托卡马克不同，动力学电子即使在长波长下也会修改剩余值。这种效应，这已经被理论预测，证实了陀螺动力学模拟。
2015-10-13 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Studies of Microinstabilities in the RFP
一个解析平衡，环面贝塞尔函数模型，被用来与gyrokinetic代码GYRO一起研究在反向场箍缩（RFP）等离子体中的微不稳定性的性质。研究了归一化电子等离子体压力β对微不稳定性特性的影响。当β值约为4.5%时，离子温度梯度（ITG）驱动模和微撕裂模之间的转变成为主要的不稳定性。ITG模的抑制发生在托卡马克中，通过耦合到剪切阿尔芬波，由于较短的并联长度，稳定性的临界β高于其托卡马克等效装置。有一个陡峭的依赖性的微撕裂增长率的温度梯度表明高轮廓刚度。有证据表明存在一种无碰撞的微撕裂模式。研究了该模式的性质，发现曲率漂移在该模式的不稳定性中起着重要作用。
2013-01-19 physics.plasm-ph
Comparison of MHD and gyrokinetic simulations of linear instabilities at the q = 1 surface
本文比较了回旋动理学和 MHD 代码对托卡马克核心内部扭曲模和无碰撞撕裂模的模拟，发现通过合理设置参数两者在描述内部扭曲模时可达成一致，但无碰撞撕裂模需超越 MHD 的高级处理。
2025-10-14 physics.plasm-ph
Effects of the equilibrium model on impurity transport in tokamaks
给出了实际托卡马克几何结构中离子温度梯度模和俘获电子模驱动杂质输运的回旋动力学模拟，并与简化几何结构的结果进行了比较。gyrokinetic的结果，得到与基因代码在线性和非线性模式进行比较，在喷气式发动机的专用杂质注入放电的数据和分析。几个因素对热量和粒子输运的影响进行了讨论，贷款特别关注托卡马克的几何形状和旋转剪切。为此，使用s-α和同心圆平衡的结果进行比较，从JET实验的磁几何形状的结果。为了进一步接近实验条件，非线性陀螺动力学模拟进行碰撞和碳背景。杂质峰化因子，计算通过寻找对应于零粒子通量的局部密度梯度，进行了讨论。与简化几何形状相比，由于对流夹点的减少，在实际几何形状中杂质峰化因子被认为减少了~2倍。还可以看出，碰撞降低了低Z杂质的峰因子，同时增加了高电荷数的峰因子，这归因于随着碰撞的增加，输运光谱向更高波数的偏移。随着旋转扩散的增加，观察到峰值因子的总体降低，但这种降低不足以解释在JET中看到的平坦碳分布。
2013-12-19 physics.plasm-ph
Gyrokinetic investigation of Alfvén instabilities in the presence of turbulence
采用全局电磁回旋动力学粒子模拟程序ORB 5研究了磁约束等离子体中Alfvén模（AM）与离子温度梯度（ITG）湍流之间的自洽相互作用.在这里，一个轴对称的磁平衡与反向剪切和大的纵横比被认为是。通过引入超热离子群，使环模数n=5的AM不稳定。一旦AM在充分发展的湍流的存在下饱和，离子热通量由AM及其主要谐波主导。ITG诱导的运输也被发现在不稳定的AM的存在下增强。
2019-12-19 physics.plasm-ph
An E & B Gyrokinetic Simulation Model for Kinetic Alfvén Waves inTokamak Plasmas
回旋粒子模拟是研究托卡马克等离子体中输运、非线性现象和高能粒子物理的有力工具。虽然大多数陀螺动力学模拟都使用标量和矢量势，但通过使用一般和全面形式的E和B场开发了一种新模型（GK-E&B），并已用于模拟均匀等离子体中的动力学Alfvén波[Chen et al，Science China Phys. Mechanics & Astronomy 64（2021）]。在我们的工作中，Chen等人的GK-E&B模型已经在一般托卡马克几何中明确地使用特定坐标表示。数值结果与Chen等人的工作吻合较好，理论色散关系与局部螺旋箍缩模型的数值结果吻合较好。数值结果表明，在一个现实的参数制度的燃烧等离子体在高值的$β/( M_e k_\perp^2 ρ_i^2)$，这是传统的方法，由于"取消“的问题具有挑战性的优异性能。作为一个应用，GK-E&B模型在局部极限中用动力学电子实现。在匹配ITPA-TAE参数的情况下，数值结果表明GK-E&B能处理实际托卡马克等离子体参数的平行电子朗道阻尼。作为另一个应用，GK-E&B模型的实施与占主导地位的电子贡献$E_\|$在冷电子限制。它的能力，在模拟有限的$E_\|$由于有限的电子质量被证明。
2021-11-11 physics.plasm-ph
Kinetic instabilities that limit β in the edge of a tokamak plasma: a picture of an H-mode pedestal
利用巨磁球形托卡马克（MAST）重建的等离子体平衡具有足够的分辨率来捕捉等离子体在边缘局域模（ELM）之间的短时间内的演化。紧接着ELM之后，压力P和密度ne的陡梯度在分界线附近形成了裂缝，然后它们扩展到核心。本地陀螺动力学分析的ELM周期揭示了占主导地位的微观不稳定性在垂直波长的离子拉莫尔半径的顺序。这些是基座中的动力学气球模式（KBM）和靠近基座顶部的核心中的微撕裂模式（MTM）。不断发展的增长率谱，支持使用人工局部平衡扫描的陀螺动力学分析，提出了一个新的物理图片的形成和逮捕这个基座。
2012-05-14 physics.plasm-ph
An extended hybrid magnetohydrodynamics gyrokinetic model for numerical simulation of shear Alfvén waves in burning plasmas
采用广义鱼骨色散关系的理论框架，扩展的混合磁流体动力学陀螺动力学模拟模型已被推导出解析考虑热离子的可压缩性和抗磁效应，除了高能粒子的动力学行为。扩展模型已被用于实现扩展版本的混合磁流体动力学回旋动力学代码（XHMGC），以研究热离子动力学效应的高能粒子驱动的Alfvénic模式，如动力学β诱导的Alfvén本征模在托卡马克聚变等离子体。
2010-12-24 physics.plasm-ph
The free energy balance equation applied to gyrokinetic instabilities, the effect of the charge flux constraint, and application to simplified kinetic models
本文推导了回旋动理学涨落的自由能平衡方程并应用于不稳定性研究，发现结合电荷通量约束可等价于色散关系，能有效防止不稳定本征模的出现，并展示了其在简化动理学模型中的应用。
2023-10-17 physics.plasm-ph
